Fraunhofer IAIS Entwicklungs- und Forschungsarbeiten zum Thema Virtual Environments

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1 Fraunhofer IAIS Entwicklungs- und Forschungsarbeiten zum Thema Virtual Environments Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die größte Organisation für angewandte Forschung in Europa. Sie betreibt derzeit 80 Forschungseinrichtungen an über 40 Standorten in ganz Deutschland, darunter 60 Institute. Mehr als Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter mit überwiegend natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von 1,66 Milliarden Euro. Das Fraunhofer IAIS gehört zum Verbund Informations- und Kommunikationstechnik, es erforscht und entwickelt innovative Systeme, um Daten zu analysieren und Informationen zu erschließen, in Software und Hardware. Seit 1993 wird auf dem Campus Schloss Birlinghoven in Sankt Augustin angewandte Spitzenforschung in den Bereichen Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) betrieben. Ein interdisziplinäres Team arbeitet an zukunftsweisenden Technologien und Anwendungen mit dem Fokus auf interaktiven, immersiven Visualisierungssystemen. Entsprechend der Mission des Fraunhofer Instituts für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS ermöglichen wir unseren Kunden und Kooperationspartnern mehr aus ihren Daten zu machen, sie besser zu verstehen, auf vollkommen neue Art und Weise zu erleben sowie auch besser zu vermitteln. In den von uns geschaffenen Virtual Environments können die Besucher einzigartige Erfahrungen gemeinsam erleben, sie können in Virtuelle Welten eintauchen ( Immersion ), Einfluss auf das Erlebte und die visualisierten Daten nehmen ( Interaktion ) oder miteinander kommunizieren und auch kooperieren, also Aufgaben gemeinsam lösen. Seite

2 Für diese Forschungs- und Entwicklungsarbeiten suchen wir studentische Hilfskräfte zu den folgenden Themen und Themengebieten: Themengebiet Interaktive Visualisierung... 3 Thema: Visualisierung von sehr großen seismischen Horizontmodellen... 3 Out-of-Core ray-casting-basierter Volumen-Renderer... 3 Thema: VRGeo Volume-Rendering-Benchmark... 4 Klassifikation von seismischen Volumendaten... 4 Kontakt Themengebiet Interaktive Visualisierung... 5 Themengebiet Human-Computer Interaction (HCI)... 6 Thema: Tangible Devices zur Interpretation von seismischen Daten... 6 Thema: Drucksensitive multi-touch Benutzerschnittstelle für die Interpretation von seismischen Daten... 6 Kontakt für das Themengebiet Human Computer Interaction (HCI)... 7 Natürliche Interaktion und gestenbasierte User Interfaces... 7 Kontakt Themengebiet Human Computer Interaction (HCI)... 7 Themengebiet Display-Umgebungen... 8 Thema: Interpreter s Desk... 8 Kontakt... 8 Themengebiet Visual Analytics... 9 Thema: Interaktive Visualisierung großer raumbezogener Datensätze I... 9 Thema: Interaktive Visualisierung großer raumbezogener Datensätze II... 9 Kontakt Themengebiet Interaktive Visualisierung großer raumbezogener Datensätze Allgemeine Randbedingungen Detaillierte Kontaktdaten Seite

3 Themengebiet Interaktive Visualisierung Thema: Visualisierung von sehr großen seismischen Horizontmodellen Hintergrund: In der Öl&Gas-Industrie entstehen bei der Interpretation geologischer Daten sog. Horizonte. Diese Horizonte markieren Gesteinsgrenzschichten, die zur Findung von Öl oder Gas von hoher Relevanz sein können. Auf Grund moderner Messund Berechnungsverfahren entstehen immer höher aufgelöste Polygonmodelle für diese Horizonte, die aus mehreren 100 Millionen Polygonen bestehen können. Aufgabe: Ziel ist eine interaktive Darstellung von sehr großen Horizontmodellen. Dabei gilt es zu beachten, dass die Modelle Löcher enthalten können und zur Laufzeit interaktiv verändert werden können. Stichworte: sehr große dynamische Polygonmodelle, Hightfields, LOD-Techniken, Outof-Core-Visualisierung, Echtzeit-Visualisierung, Öl&Gas-Industrie und Linux, C++ Hilfreiche Zusatzfähigkeiten: OpenGL, GLSL, OpenSceneGraph, Python Out-of-Core ray-casting-basierter Volumen-Renderer Hintergrund: Basis der geologischen Interpretation in der Öl&Gas-Industrie sind seismische Daten, die die Reflektionsstärke von Schall an Gesteinsgrenzschichten darstellen. In vielen Fällen, insbesondere in Meeresregionen, werden dreidimensionale seismische Datensätze des Untergrundes erstellt. Diese Volumendatensätze werden i.d.r. mit Hilfe von Volumendarstellungsverfahren visualisiert. Da es sich um sehr große Datensätze handeln kann (multi-gigabyte bis Terrabyte), werden in den meisten Fällen out-of-core Renderer verwendet. Im Rahmen des VRGeo-Öl&Gas-Industriekonsortiums sind mehrere out-of-core Volumenrenderer entstanden, die auf verschiedenen Rendertechniken basieren. Aufgabe: Auf Basis dieser Renderer soll eine ray-casting-basierte Volumenrender- Bibliothek für den VRGeo-Demonstrator, das Applikationsframework für die VRGeo Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, entstehen. Da der VRGeo-Demonstrator eine interaktive Anwendung ist, soll der Renderer Echtzeitanforderungen genügen. In zweiten Schritt sollen fortgeschrittene Rendertechniken, wie zum Beispiel pre-integrated Rendering, Oberflächenextraktion, Empty-Space-Skipping, ambient Occlusion, integriert werden. Stichworte: GPU-basiertes Volume-Raycasting, Out-of-Core-Visualisierung, Echtzeit- Visualisierung, ÖL&Gas-Industrie und Linux, C++ Hilfreiche Zusatzfähigkeiten: OpenGL, GLSL, OpenSceneGraph, Python Seite

4 Thema: VRGeo Volume-Rendering-Benchmark Hintergrund: Ein Themenschwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeit des VRGeo-Öl&Gas-Industriekonsortiums ist die interaktive Visualisierung von Volumendaten mit Hilfe von Volumerendering. Im Rahmen dieses Schwerpunktes wurde auch der weltweit einzige Hardware-Benchmark für Volumerendering entwickelt. Entsprechend der verwendeten Software in der Öl&Gas-Exploration basiert der Benchmark auf proxygeometrie-basiertem Volumenrendering. Aufgabe: In den nächsten Jahren werden die Öl&Gas-Software-Pakete auf ray-castingbasierte Volumenrenderverfahren umgestellt werden, so dass auch der VRGeo Volumerendering Benchmark entsprechend erweitert werden soll. Da i.d.r sog. Out-ofcore-Renderverfahren zum Einsatz kommen, wird nicht nur die reine Darstellungsgeschwindigkeit gemessen, sondern auch Texturedownloadraten und andere relevante Größen in diesem Zusammenhang. Stichworte: Hardwarebenchmarking, GPU-basiertes Volume-Raycasting, Out-of-Core- Visualisierung, ÖL&Gas-Industrie und Linux, C++ Hilfreiche Zusatzfähigkeiten: OpenGL, GLSL, Grundlagen der Statistik Klassifikation von seismischen Volumendaten Hintergrund: Seismische Messungen mittels akustischer Impedanz liefern Geologen wichtige Informationen bei der Suche nach Öl- und Gas-Vorkommen. Diese Messungen generieren, ähnlich wie medizinische bildgebende Verfahren, große dreidimensionale Volumendatensätze. Die Klassifikation dieser Daten stellt aufgrund der enormen Datenund Informationsmenge eine große Herausforderung dar. Ein Verfahren zur Klassifikation dieser Daten ist das sog. Occlusion Spectrum (Correa at. Al, 2009). Im Vergleich zu gradientenbasierten Klassifikationsverfahren lassen sich durch das Occlusion Spectrum Strukturen im inneren der Datensätze besonders gut darstellen. Dieser Aspekt verspricht eine Vereinfachung der Klassifikation seismischer Daten durch Geologen. Ziel ist es, durch den Einsatz dieses Verfahrens geologische Strukturen wie Salzstöcke oder Kanalsysteme in seismischen Volumendaten zu identifizieren. Aufgabe: Im Rahmen der Arbeit soll ein bereits bestehendes System zur Klassifikation von seismischen Volumendaten weiterentwickelt und evaluiert werden. Hierbei müssen zum Einen, verschiedene, prototypisch implementierte Algorithmen durch den Einsatz von GPU-Programmierung beschleunigt werden, zum Anderen müssen diese Algorithmen im Hinblick auf einen Einsatz in der Öl & Gas Industrie angepasst werden. Stichworte: Volumenrendering, Klassifikation, seismische Daten Kernanforderungen: Fundierte Kenntnisse der Computergraphik, GPU- Programmierung, C++ Hilfreiche Zusatzfähigkeiten: CUDA, Qt, Volumenrendering Seite

5 Kontakt Themengebiet Interaktive Visualisierung M. Sc. David d Angelo, Dipl.-Inform. Stefan Rilling Seite

6 Themengebiet Human-Computer Interaction (HCI) Thema: Tangible Devices zur Interpretation von seismischen Daten Hintergrund: Der VRGeo Slice Inspectors dient der Interpretation von zweidimensionalen seismischen Daten, die auf einem multi-touch Display angezeigt werden. Verschiedene multi-touch Gesten werden dabei zur Interaktion und Annotation der Daten verwendet. Auf Grund der Vielfalt kann nicht die gesamte Funktionalität auf einen sinnvollen Gestenraum abgebildet werden, so dass mit Hilfe von zusätzlichen Menüs explizite Moduswechsel der Applikation herbeigeführt werden müssen. Aufgabe: Um explizite Moduswechsel zu vermeiden, soll in einem nächsten Schritt die VRGeo Slice Inspector Benutzerschnittstelle um tangible Devices erweitert werden, mit denen implizit die verschiedenen Applikationsmodi ausgewählt werden können. So könnte zum Beispiel eine Linienannotation über die Verwendung eines entsprechenden Malstiftes oder eine Landmarken-Annotation über das setzen eines Fähnchen-Devices erfolgen. Stichworte: HCI, multi-touch, tangible Devices, Öl&Gas-Industrie, seismische Interpretation und Linux, Python Hilfreiche Zusatzfähigkeiten: C++, Grundlagen Computervision, handwerkliches Geschick Thema: Drucksensitive multi-touch Benutzerschnittstelle für die Interpretation von seismischen Daten Hintergrund: Multi-touch Benutzerschnittstellen können in vielen Anwendungsfällen eine intuitiveren Applikationszugang ermöglichen als die indirekte Steuerung mit der Maus. Ein Nachteil von fast allen multi-touch Oberflächen ist jedoch fehlendes taktiles Feedback, wie es zum Beispiel die Maustaste bietet. Aufgabe: Mit Hilfe der IFSR (Interpolating Force-Sensitive Resistance) Technologie soll eine multi-touch Benutzerschnittstelle geschaffen werden, die im Gegensatz zu herkömmlichen multi-touch Lösungen über die Drucksensitivität eine weitere Engabedimension zur Verfügung stellt. Mit Hilfe dieses Interfaces soll eine bestehende Applikation aus dem Öl- und Gasumfeld zur Interpretation von seismischen Daten erweitert werden. Stichworte: HCI, Multi-Touch, IFSR, Öl&Gas-Industrie, seismische Interpretation und Linux, C / C++ Hilfreiche Zusatzfähigkeiten: Python, handwerkliches Geschick Seite

7 Kontakt für das Themengebiet Human Computer Interaction (HCI) M. Sc. David d Angelo Natürliche Interaktion und gestenbasierte User Interfaces Hintergrund: Die Interaktion mit virtuellen Umgebungen ohne den Einsatz von dedizierten Eingabegeräten oder Markern bietet einen einfachen, natürlichen und intuitiven Zugang zu virtuellen Umgebungen und stellt einen maßgeblichen Aspekt zur Steigerung der Immersion dar. Besonders in großen, immersiven Projektionsumgebungen mit mehreren Benutzern ist diese Art der Interaktion eine vielversprechende Alternative zu gängigen Benutzerschnittstellen. Durch die Verfügbarkeit von kostengünstigen Hard- und Softwarelösungen, wie z.b. der Microsoft Kinect, sind die technischen Herausforderungen in den Hintergrund gerückt. Jedoch existieren für diese Art der Benutzerschnittstellen keine etablierten Standards und Gestaltungsrichtlinien, somit ergeben sich viele offene Fragen bezüglich der konkreten Ausgestaltung dieser Benutzerschnittstellen. Aufgabe: Es sollen verschiedene, natürliche und gestenbasierte Interaktionstechniken und User-Interfaces für dreidimensionale virtuelle Umgebungen unter der Berücksichtigung von ergonomischen- und Usability-Kriterien implementiert und durch Benutzerstudien evaluiert werden. Stichworte: Natural interaction, gestural interfaces, HCI und Linux, C / C++ Hilfreiche Zusatzfähigkeiten: Python, Netzwerkprotokolle, Kenntnisse in der ergonomischen Gestaltung von Benutzeroberflächen Kontakt Themengebiet Human Computer Interaction (HCI) M. Sc. David d Angelo, Dipl. Inform. Stefan Rilling Seite

8 Themengebiet Display-Umgebungen Thema: Interpreter s Desk Hintergrund: In der Öl&Gas-Exploration ist die Aufgabe von spezialisierten Geologen, sog. Interpretern, seismische Daten in Hinblick auf Öl&Gas-Vorkommen auszuwerten und zu interpretieren. An klassischen Desktop-Arbeitsplätzen werden vor allem seismische Datensätze (zwei- und dreidimensional) der Analyse unterzogen. Aufgabe: Speziell für den Interpreter soll ein neuartiges Display-System entwickelt werden, das dessen Workflow optimal unterstützt. Dazu soll ein semi-immersiver Arbeitsplatz entworfen werden, der sich über natürliche Schnittstellen (z.b. Sprache, multi-touch Gesten, tangible Devices) bedienen lässt und insbesondere mit hochauflösenden Displays eine optimale Darstellung von seisimischen Daten erlaubt. Stichworte: HCI, Multi-Touch, Öl&Gas-Industrie, seismische Interpretation und Linux, C++ Hilfreiche Zusatzfähigkeiten: Python, handwerkliches Geschick Kontakt M. Sc. David d Angelo Seite

9 Themengebiet Visual Analytics Hintergrund: Visual Analytics verbindet die automatische Datenanalyse mit neuartigen Techniken zur Visualisierung. So lassen sich die unterschiedlichen Fähigkeiten von Computer und Mensch optimal nutzen: Der Rechner ist zuständig für die sequentielle Abarbeitung großer Datenmengen und deren Verwandlung in eine für den Menschen erfassbare optische Darstellung. Der Nutzer kann sich auf das Erkennen von Mustern sowie die Bewertung und Auswertung der betrachteten Daten konzentrieren. Das erleichtert es ihm, schnell die richtigen Entscheidungen zu treffen. Thema: Interaktive Visualisierung großer raumbezogener Datensätze I Aufgabe: Im Rahmen eines mehrjährigen nationalen Projektes zum Thema "Zivile Sicherheit" soll für Sicherheitspersonal in einer Sicherheitszentrale eine State-of-the-Art Managementkonsole zur Realisierung einer integrierten Sicht in der Sicherheitszentrale (Kameramonitorwand) entwickelt werden. Diese Aufgabe umfasst mehrere komplexe Teilaufgaben wie die Festlegung und Entwicklung der erforderlichen Visualisierungsmöglichkeiten (SW/HW) für Rohdaten von verteilten, vernetzen Kamerasystemen und für aufbereiteten Daten wie z.b. Trajektorienmuster (nach Extraktion, Filterung, Clustering,...) die Festlegung und Entwicklung der erforderlichen Interaktionsmethoden (SW/HW) Stichworte: Human Computer Interaction, Informationsvisualisierung, Interaktive Visualisierungslösungen, Echtzeitlösungen Kernanforderungen: C / C++, Kenntnisse der Computergrafik, Entwicklung unter Windows und Linux Hilfreiche Zusatzfähigkeiten: Entwicklung für Embedded-Systeme, Geräteansteuerung Thema: Interaktive Visualisierung großer raumbezogener Datensätze II Aufgabe: Im Rahmen eines mehrjährigen nationalen Projektes zum Thema "Zivile Sicherheit" soll für mobiles Sicherheitspersonal in einem zu überwachenden Bereich eine State-of-the-Art situationsabhängige Sicht einer Lage und/oder eines Bedrohungsszenarios für mobile Endgeräte (z.b. PDA, Netbook, Smartphone) entwickelt werden. Diese Aufgabe umfasst mehrere komplexe Teilaufgaben wie die Festlegung und Entwicklung einer kontext-abhängigen Datenrepräsentationen und von Kontrollschnittstellen für die mobilen Endgeräte die Festlegung und Entwicklung der erforderlichen Interaktionsmethode (HW/SW) Stichworte: Human Computer Interaction, Informationsvisualisierung, Interaktive Visualisierungslösungen, Echtzeitlösungen, Mobilkommunikation Seite

10 Kernanforderungen: C / C++, Kenntnisse der Computergrafik, Entwicklung unter Windows und Linux Hilfreiche Zusatzfähigkeiten: Entwicklung für Embedded-Systeme, Geräteansteuerung, Grundlagen der Elektrotechnik, handwerkliches Geschick Kontakt Themengebiet Interaktive Visualisierung großer raumbezogener Datensätze Dr. Manfred A. Bogen, Dipl.-Inform. Seite

11 Allgemeine Randbedingungen Das Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme (IAIS) in Sankt Augustin, Abteilung Virtual Environments (IAIS.VE), sucht zum nächstmöglichen Termin einen Student (m/w) der Informatik, Medieninformatik, (Geo-)Physik oder Geologie Wir bieten Ihnen die Möglichkeit zur Mitarbeit im Rahmen einer ausbildungsnahen studentischen Hilfstätigkeit zur studienbegleitenden Qualifikation. Sie verfügen über gute Englischkenntnisse, Team- und Kommunikationsfähigkeit. Computerkenntnisse in den Standardanwendungen werden vorausgesetzt. Wir würden uns freuen, wenn die erarbeiteten Kenntnisse und Ideen in eine Studienarbeit/Praxisbericht einfließen. Die Vergütung richtet sich nach der Gesamtbetriebsvereinbarung zur Beschäftigung der Hilfskräfte. Die Stelle ist zunächst auf 6 Monate befristet. Die wöchentliche Arbeitszeit beträgt max. 19 Stunden. Schwerbehinderte Menschen werden bei gleicher Qualifikation bevorzugt eingestellt. Seite

12 Detaillierte Kontaktdaten Bitte kontaktieren Sie nur eine der nachfolgenden Personen. Dr. Manfred A. Bogen, Dipl.-Inform. Business Development and Research Manager VRGeo Consortium Programme Manager Fraunhofer IAIS Schloss Birlinghoven D Sankt Augustin Fon: +49 (0) Fax: +49 (0) M. Sc. David d Angelo Technical Manager VRGeo Consortium Fraunhofer IAIS Schloss Birlinghoven D Sankt Augustin Tel: Fax: david.d-angelo@iais.fraunhofer.de Dipl.-Inform. Stefan Rilling Fraunhofer IAIS Schloss Birlinghoven D Sankt Augustin Tel: Fax: stefan.rilling@iais.fraunhofer.de Seite